WO2017158262A1 - Dispositf de communications par fibre optique multimode avec interversion de modes de propagation - Google Patents

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WO2017158262A1
WO2017158262A1 PCT/FR2017/050533 FR2017050533W WO2017158262A1 WO 2017158262 A1 WO2017158262 A1 WO 2017158262A1 FR 2017050533 W FR2017050533 W FR 2017050533W WO 2017158262 A1 WO2017158262 A1 WO 2017158262A1
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fiber
modes
mirrors
optical
multimode
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PCT/FR2017/050533
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Jean-Francois Morizur
Guillaume LABROILLE
Pu JIAN
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Cailabs
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    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/268—Optical coupling means for modal dispersion control, e.g. concatenation of light guides having different modal dispersion properties

Definitions

  • the invention relates to fiber optic communications.
  • multimode optical fibers are used. Unlike monomode fibers that have a very small core diameter and propagate light in a single mode that is the fundamental mode, multimode fibers have a larger core diameter and can propagate light simultaneously in multiple modes. spread.
  • the propagation modes excited in the fiber are characterized by spatial profiles of phase and electric field strength in a plane transverse to the axis of propagation; these profiles are different according to the modes and several modes can coexist.
  • Multimode fibers are advantageous because they can transmit more energy than a single mode fiber when the beam applied to the input has several modes; a single-mode fiber would simply eliminate the energy supplied in modes other than the fundamental mode.
  • multimode fibers are easier to connect to each other or to other components, such as sources and receivers, because of the larger diameter of their cores: Lateral positioning and angular alignment tolerances are more flexible .
  • These fibers are compatible with those of the laser sources that are themselves multimode, such as surface emitting and vertical cavity semiconductor laser diodes (VCSELs) which are the easiest sources to manufacture industrially.
  • VCSELs surface emitting and vertical cavity semiconductor laser diodes
  • the multimode fibers have a disadvantage which is the modal dispersion: several modes can propagate simultaneously in the fiber but the speed of propagation of the light is different according to the mode of propagation. This difference in propagation speed is very small but it plays a significant role in long fibers. At a far end of the fiber, it results in a risk of mixing digital information that modulates in intensity a light beam injected at the other end. A narrow light pulse injected on the source side becomes a spread pulse on the receiver side. For a long fiber, it can happen that the information bit propagated by a slow mode arrives at the end of the fiber at the same time as a next bit propagated by a fast mode.
  • Decoding of the digital information can become difficult in the receiver if the pulses are transmitted at a high rate and / or if the fiber is long. This results in a bandwidth limited by the modal dispersion; this modal bandwidth limits the maximum data rate possible in the fiber, depending on the length thereof.
  • the equalizer device described comprises two optical lenses inserted between an upstream optical fiber (input fiber) and a downstream optical fiber (output fiber).
  • the device comprises an optical prism placed between the two lenses.
  • the principle of operation of this device is based on an operation consisting of a geometrical transformation operated on the light rays, on the basis that the fast modes are those associated with the light rays having a small angle at the output of the upstream fiber with respect to the common axis of the two fibers and the slow modes have a large angle with respect to the common axis of the two fibers.
  • the device operates in practice an angle reversal on the output light rays of the upstream fiber so that the slow modes arrive on the downstream fiber at a low angle and that the modes fast arrive with a big angle, the trips having been compensated.
  • This device is not satisfactory because it does not treat the shape of the light wave, they do not perform a modal transformation but a geometric transformation based on an approximation that the light is in the form of a light ray. Because of this approximation, the device can only lead to loss of information, loss due to the fact that the entire light wave is not taken into account, the light being considered in the form of light rays.
  • This device is based on the same principle as the device described in US3,832,030 (D1), and therefore has the same disadvantages.
  • the invention proposes a different solution for increasing the throughput allowed by a multimode optical fiber communication installation that takes into account the overallity of the light wave, that is to say, the shape of the light wave.
  • the invention is based on the use of an optical component performing a succession of reflections and passages of the light beam on deformed surfaces, these passages being followed by propagations of the beam in free space (unguided).
  • the deformation of the surfaces induces a local phase shift within the cross section of the beam.
  • a light beam propagating within the component undergoes a succession of local phase shifts separated by propagations.
  • the light beam thus undergoes a complex transformation during its propagation in the component. It is possible to configure the surface deformations to convert an input light beam, which has a specific amplitude and phase profile, into an output beam whose amplitude and phase profile is different.
  • the deformed surfaces are made in a structure of optical phase shift which comprises sets of very small elementary phase zones each acting on the beam portion that it receives; this optical phase shift structure is traversed by the light beam during each reflection path between two mirrors, and it may also be constituted by one or both mirrors; during the different paths, the beam encounters different sets of phase-shifting elementary zones and each respective assembly is configured with a phase-shift pattern that induces a respective intermediate transformation of the spatial profile of the beam.
  • the succession of intermediate transformations (for example a dozen successive transformations or even less) establishes an overall transformation of the spatial profile of the beam.
  • Such a component has, for example, been proposed in the prior art to multiplex several input beams. Indeed, it is possible to consider a family of input beams, of identical shapes but spatially separated, and to aim at output a family of superimposed beams whose amplitude and phase profiles are called orthogonal (from so that the energy remains conserved).
  • the article by Bryan Labroille and others, "Efficient and mode-selective spatial multiplex mode based on multi-plane light conversion", in Optics Express June 30, 2014 Vol 22 No. 13 p 15599 explains the constituton of this component.
  • This component uses two mirrors and an optical phase shift structure which is crossed several times, in different places, by the light beam during its multiple paths between the two mirrors.
  • the beam in the optical component is subjected to an overall transformation by which at least a first and a second mode or group of modes present in the incident light are converted so that the first mode or group of modes is converted into a second mode. or group of modes, and vice versa, and the modes thus converted are grouped at the output of the component.
  • the first mode or group of modes is at a slower propagation rate than the second mode or group of modes.
  • the optical component is inserted in the path of the optical fiber at a position such that the propagation delay between the two modes between the source and the optical component is substantially equal to the propagation delay between the two modes between the optical component and the receiver . If the same fiber is used on the one hand between the source and the optical component, on the other hand between the optical component and the receiver, provision is made to place the component substantially in the middle of the length of the fiber.
  • the average delay experienced by the slowest modes in the fiber portion upstream of the component will then be converted to a corresponding advance in the downstream fiber portion since what was the slowest mode or group of modes is become the fastest mode or group of modes. Or, in another way, the advance made by the fastest mode group in the upstream fiber portion is lost in the downstream fiber portion since this group of modes has become the slowest . That is why a new multimode optical fiber information transmission device intended to be interposed between a source of a light radiation modulated digitally by the information and a receiver making it possible to demodulate this information, to compensate for the modal dispersion, is claimed here.
  • the device comprising an upstream multimode optical fiber, a downstream multimode optical fiber, and a light beam spatial profile modification optical component placed between the upstream fiber and the downstream fiber, said component comprising:
  • a receiving input of a multimode light beam connected to the upstream fiber, a beam output connected to the downstream fiber,
  • an optical phase shift structure which may be one of the mirrors and which comprises several sets of multiple phase-shifting zones, the individual phase-shifting patterns introduced by the phase-shifting elementary zones in each group generating an intermediate transformation of the spatial profile of the beam. following the passage of the beam in this set, and the intermediate transformations generated by several sets combining, during the passages of the beam on the phase shift structure during multiple reflections between the mirrors, to form a global transformation, characterized in that the global transformation involves:
  • the optical phase shift structure can be transmissive or reflective. If it is transmissive, it consists of a transparent plate whose thickness is modulated elementary area per elementary area as a function of the phase shift to achieve punctually. If it is reflexive, it is preferably constituted by a generally flat mirror but textured surface to establish the desired phase shifts. This "globally flat" mirror then constitutes the phase shift structure of the device.
  • the structure is reflexive, which is preferable, it can be constituted by one of the two mirrors.
  • one of the mirrors may be a plane or spherical mirror and the other is a textured mirror.
  • the two mirrors could be flat mirrors with a textured surface.
  • the optical phase shift structure is normally a fixed structure (pre-calculated phase shifts for all the elementary zones of all the zone assemblies) and this structure is then produced by lithography on a transparent plate or on a plate subsequently coated with a reflective layer such that a layer of gold.
  • the phase shift structure could however also be, in some particular cases, an electrically controlled structure, for example a structure of piezoelectrically actuated micro-mirrors or a matrix array of liquid crystals.
  • the invention makes it possible to increase the flow limit of a multimode optical fiber in an existing installation, or an installation to be created.
  • it is compatible with the existing architecture since it is sufficient to insert the optical component of spatial profile modification at the mid-point of an existing fiber.
  • This solution also makes it possible to continue to use multimode fibers even in geographically extensive data centers (more than one kilometer). It makes it possible to reduce the design constraints of multimode optical fibers while avoiding the main constraint on modal dispersion; for example one can optimize other properties of the fiber such as losses in the presence of curvatures or chromatic dispersion, the optical component being there to compensate for the modal dispersion.
  • the solution according to the invention is highly integrated (only one compensation unit) and is therefore advantageous from this point of view in relation to solutions that would require several components and in particular solutions that would require the addition of compensating optical fibers. Finally, it does not introduce significant losses (compared to solutions that would use slower or faster mode elimination filters).
  • the invention also claims a multimode optical fiber information transmission method between a source and a receiver, characterized in that it is inserted between an upstream multimode optical fiber and an optical fiber.
  • downstream multimode an optical component for modifying the spatial profile of the light beam placed between the upstream fiber and the downstream fiber, this component being constituted as indicated previously (two mirrors and an optical phase shift structure, an input connected to the upstream fiber and an output connected to the downstream fiber) and being such that the phase shift structure transforms the modes or groups of propagation modes most slow in the upstream fiber in modes or groups of modes faster and reciprocally before reinjecting them into the downstream fiber, thus achieving in the downstream fiber compensation propagation advances and delays incurred in the upstream fiber.
  • FIG. 1 represents conventional spatial patterns of individual propagation modes in a multimode optical fiber
  • FIG. 2 diagrammatically represents the constitution of an exemplary optical component for modifying the spatial profile of the light beam
  • FIG. 3 represents a generally planar mirror detail, structured at the wavelength scale to modify an incident beam spatial profile
  • the spatial profile modification optical component that will be used is based on components used in the prior art for making spatial profile changes of a coherent light beam.
  • the spatial profile of a light beam is a distribution profile of the electric field in a beam section transverse to the axis of propagation. It is a profile of complex amplitudes of an electric field which can be represented in all points of the section by an intensity and a phase.
  • the intensity profile would be a Gaussian in the case of a beam transmitted by a monomode fiber excited according to the fundamental mode.
  • the profile is obviously more complex in the case of a multimode beam and it can be broken down into specific profiles corresponding to each mode.
  • Modes of propagation in a multimode fiber are commonly listed in the literature and often designated by letters and numbers that indicate the nature of the mode and its order in two dimensions.
  • the first order mode or fundamental mode is commonly referred to as LP01; the higher modes are LP1 1a, LP1 1b, LP21a, LP1 1b, LP02, LP03, LP31a, LP31b, etc.
  • Any beam propagating in a multimode fiber can decompose on the basis of LP modes.
  • the technical literature gives abundant forms of these spatial profiles for the most common modes. These typical shapes are illustrated in FIG. 1 for the first modes LP01, LP1 1a, LP1 1b, LP02, LP21a, LP21b. Higher orders, LP31, LP41, etc., can of course also be present.
  • the mode that propagates the fastest is the LP01 fundamental mode.
  • the other modes propagate more slowly, first LP1 mode 1, then LP02 and LP21 modes, and then the other modes.
  • first LP1 mode 1, then LP02 and LP21 modes propagate more slowly, first LP1 mode 1, then LP02 and LP21 modes, and then the other modes.
  • the two modes can be divided into a first group comprising the mode LP01 and the mode LP1 1 and a second group comprising the modes LP02 and LP21.
  • a division of fiber modes into more than two groups is possible.
  • phase shifter elements are programmable and consist of electrically actuatable deformable mirrors but the principle would be the same with a non-programmable mirror plate structured with a fixed configuration for a predefined transformation; it would be the same also with a programmable transparent plate (liquid crystal) or non programmable, structured to introduce a phase shift matrix into the path of the light beam.
  • any unitary (which conserves energy) transformation of spatial beam profile can be obtained exactly by using a finite number of intermediate transformations obtained by an alternation of phase-shifting structures and transformations.
  • Fourier optical If we impose a limit (for example a dozen) to the number of intermediate transformations, the overall transformation obtained will be more approximate.
  • the phase-shifting structures change the phases in the section of the light beam point by point.
  • Optical Fourier transforms can be spherical lenses or mirrors but in practice a simple propagation of the beam over a few centimeters in free space between two phase-shifting structures can replace the optical Fourier transforms in the alternation.
  • the preceding article gives a recipe for designing optical systems based on a succession of phase-shifting structures and free propagation between these structures to perform any unitary transformation of spatial profile of a coherent light beam.
  • Another design recipe for the different sets of dephasing structures making it possible to make a desired transformation has been described in patent publication WO 2012/085046, either to correct a beam which has undergone a profile transformation or to voluntarily apply a beam to a beam. desired profile transformation.
  • This design of the different phase-shifting structures which is faster, more efficient but less general than that of the preceding article, is in practice carried out by simulation in a computer capable of modeling the behavior of the beam profiles in a succession of different optical elements and in particular drifting structures and free propagation spaces.
  • the computer simulates the passage, in this succession of optical elements, of a light beam having an input profile and calculates the output beam that results. It then causes this output beam to interfere with a beam having a desired spatial profile on the plane corresponding to a phase shift structure. The result of the interferences on the plane corresponding to each phase-shifting structure is observed and the configuration of the structure is modified in a direction tending to maximize the interference. This The operation is repeated on the successive dephasing structures and is repeated by successive iterations on all the structures until a profile output beam very close to the desired beam. The final configuration of the dephasing structures obtained after these iterations then serves to constitute the device
  • Transformations consisting of a multiplexing of several propagation modes, that is to say a spatial profile transformation of several simple modes into a complex mode combining the spatial profiles of the simple modes, have been proposed in the aforementioned article of G Labroille.
  • the component that makes this transformation also allows the inverse transformation (demultiplexing). Rather than using a succession of phase-shifting structures separated by free propagation spaces, it uses a multiple reflection of the beam between two mirrors and a passage of the beam each time through the same phase-shifting structure but in different portions of the beam. ci, each portion representing the equivalent of a particular phase shift structure.
  • the optical component used in the present invention is a spatial profile transformation component made according to the principles just described. It performs a transformation of the spatial profiles corresponding to several modes or groups of propagation modes, each profile being transformed into another profile. The profiles that result from these transformations are superimposed on the output of the component.
  • the transformations are done gradually during several passes (for example a dozen passes) of the beam in an optical phase shift structure comprising a matrix of phase shifting zones. This multiple passage is obtained by two mirrors between which the beam passes by undergoing multiple reflections, the beam passing each time in the optical phase shift structure at different locations thereof.
  • This phase shift structure can be constituted by one of the mirrors.
  • the optical component will be inserted between an upstream multimode fiber that generates different propagation delays between different beam modes and a downstream multimode fiber which itself will generate differentiated delays.
  • the component will transform groups of slow propagation modes into groups of fast propagation modes and apply the transformed modes on the downstream fiber.
  • the input beam comprises only two modes LP01 (fast) and LP1 1 a (slow).
  • Such an exemplary beam may have been obtained by prior filtering eliminating all other modes.
  • the information carrying mode LP01 which was slightly ahead because of the propagation in the upstream fiber has become a mode LP1 1a carrier of this information in advance and conversely the mode LP1 1a carrier of slightly delayed information has become a LP01 mode faster but carrying delayed information.
  • the LP1 1 mode will lose the lead it had taken in the upstream fiber and the LP01 mode will catch up the delay it had taken.
  • the fibers are identical, they should preferably be given identical lengths. If they are not identical, that is, if they do not give the same differences in propagation delay, the optimal position of the component must be calculated to place it at the point where the differences in delay due to upstream fiber are equal to the differences in delay due to the downstream fiber. It is also possible to add to one of the fibers an additional compensating fiber having a greater modal dispersion than that of the upstream or downstream fibers and to take into account the delay it introduces in calculating the place where the component in the case where it is not possible to give the upstream and downstream fibers identical lengths; this is the case for example if we must insert the component in an existing installation with constraints on the location of the component to insert.
  • phase deformations described above and in patent WO 2012/085046 makes it possible to find a succession of relevant phase deformations which performs the desired mode inversion operation. It may be advantageous to apply this method with a relatively small number of phase deformations. Indeed, even if this number restriction gives rise to an imperfect inversion of the propagation modes, it makes it possible to reduce the optical losses.
  • Each incidence of the light beam on the optical phase shift structure causes a loss of energy of the beam.
  • the number of beam passes on the structure can be selected by maximizing the quality of the received signal. Even with a limited number of passages, for example a dozen or even less, the desired result is obtained which is a significant reduction of the modal dispersion.
  • the optical component 10 used in the invention comprises an input 12 to which an MMF1 multimode upstream optical fiber can be connected which brings an amplitude-modulated beam F by digital information.
  • This beam eventually passes through optical elements such as lenses 14, reflecting mirrors 16, semi-transparent mirrors 18, and arrives on the pair of mirrors providing multiple reflections.
  • a first mirror 20 of this pair is a spherical mirror and a second mirror 22 is a generally flat mirror but which is composed, on the scale of the wavelength of the radiation, of a surface having a relief whose depressions and bumps define by their heights and depths relative phase shifts to apply to the beam portions that hit these hollows and bumps.
  • These heights and depths compared to a mean plane are of the order of the wavelength of the light beam, ranging from a fraction of wavelength to a few wavelengths. Typically the wavelength is 1550 nanometers.
  • the mirror 22 plays here as has been said not only the role of mirror to ensure multiple paths of the beam but also the role of optical phase shift structure of the beam.
  • FIG. 3 represents a very small scale detail of the mirror 22 which provides the phase-shift and deflection function of the different parts of the section of the beam F.
  • the mirror surface is structured and has a relief of hollows and bumps defined with respect to a reference plane 30 representing the general surface of the generally planar mirror.
  • the hollows and bumps are elementary phase-shifting zones of the phase-shift optical structure constituted by the mirror. These areas are very small areas, for example less than one micrometer on the side so that the incident beam covers one of many areas and each elemental portion of the beam section undergoes a respective individual phase shift.
  • the zones are grouped into sets whose size may be that of the section of the light beam or the order of this section, and each set establishes a phase shift pattern which induces a desired intermediate transformation for the spatial profile of intensities and beam phases.
  • the beam falls on different sets configured to perform each a specific transformation.
  • the transformation of the profile of the beam to go from a first profile to a second profile is progressive, for example in 7 or 8 successive transformations.
  • Each intermediate transformation is obtained by giving to the phase-shifting regions on which the beam must fall an adequate distribution of specific phase shifts of the points of the section of the beam. beam.
  • the intermediate profile transformation is effective after a path of the beam in free space over a few centimeters beyond the passage on the phase shift structure.
  • FIG. 3 represents two sets EZ1 and EZ2 of dephasing zones on which the beam will come during two different paths between the mirrors.
  • the mirror may be constituted by a lithographically etched lithographic plate establishing hollows and bumps of different heights or depths, this blade being covered with a thin reflective layer (gold layer in particular) which matches the relief of the etched structure.
  • a globally transparent, transmissive and non-reflexive transparent structure, also structured to establish the desired phase shifts, could also be used between two simple mirrors, with the possible disadvantage of an increase in energy losses of the beam.
  • FIG. 4 represents the assembly of the communication device intended to transmit digital information between an optical source S modulated digitally by this information and a receiver making it possible to decode the transmitted digital information.
  • the source S is connected by a first multimode upstream optical fiber MMF1 to the input of the optical component 10 described above.
  • the output of the component is connected to a multimode downstream fiber MMF2 and this is connected to the receiver R.
  • the component 10 in the middle of the distance between source and receiver that is to say that the fibers MMF1 and MMF2 have the same length.
  • An information bit present in a group of modes advances in the first fiber with respect to the same bit of information present in another group of modes. This advance is then exactly compensated in the second fiber because the bit of information that was present in the first
  • the mode group is now propagated in the second group of modes and is therefore propagated more slowly.
  • the fibers MMF1 and MMF2 have different modal dispersions, this will be taken into account by placing the optical component 10 at the optimum location, that is to say such that the delays or advances induced in the upstream and downstream fibers are identical. .

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Abstract

L'invention concerne les communications par fibres optiques et plus précisément la compensation de dispersion modale dans une fibre multimode. On utilise un composant (10) de déphasage optique de phase et d'intensité du faisceau lumineux injecté dans la fibre (MMF2). On insère ce composant entre une fibre amont (MMF1) et une fibre aval (MMF2) qui, si elles sont identiques, ont des longueurs identiques ou à peu près identiques. Le composant utilise deux miroirs (20, 22) et un trajet optique multiple du faisceau entre les miroirs. Une structure de déphasage optique (par exemple un masque de phase réfléchissant à surface structurée qui peut être l'un des miroirs) agit à chaque réflexion du faisceau. Cette structure exécute une succession de transformations intermédiaires de profil spatial du faisceau au cours des passages successifs du faisceau, induisant globalement une transformation des modes ou groupes de modes de propagation les plus lents présents dans la fibre amont en modes ou groupes de modes les plus rapides et réciproquement, avant de les réinjecter dans la fibre aval, réalisant ainsi dans la fibre aval une compensation des avances et retards de propagation subis dans la fibre amont.

Description

DISPOSITF DE COMMUNICATIONS PAR FIBRE OPTIQUE MULTIMODE AVEC INTERVERSION DE MODES DE PROPAGATION
L'invention concerne les communications par fibres optiques.
Dans beaucoup de réseaux de communication utilisant des fibres optiques qui transmettent des informations numériques par modulation d'amplitude d'un faisceau lumineux, en général en lumière infrarouge, on utilise des fibres optiques dites multimodes. A l'inverse des fibres monomodes qui ont un très petit diamètre de cœur et qui propagent la lumière dans un seul mode qui est le mode fondamental, les fibres multimodes ont un diamètre de cœur plus grand et peuvent propager la lumière simultanément dans plusieurs modes de propagation. Les modes de propagation excités dans la fibre sont caractérisés par des profils spatiaux de phase et d'intensité de champ électrique dans un plan transverse à l'axe de propagation ; ces profils sont différents selon les modes et plusieurs modes peuvent coexister. Les fibres multimodes sont avantageuses parce qu'elles peuvent transmettre plus d'énergie qu'une fibre monomode lorsque le faisceau appliqué à l'entrée présente plusieurs modes ; une fibre monomode éliminerait purement et simplement l'énergie amenée dans les modes autres que le mode fondamental. Par ailleurs, les fibres multimodes sont plus faciles à connecter entre elles ou avec d'autres composants, notamment les sources et les récepteurs, en raison du plus grand diamètre de leur cœur : les tolérances de positionnement latéral et d'alignement angulaire sont plus souples. Ces fibres sont compatibles avec celles des sources de rayonnement laser qui sont elles-mêmes multimodes, comme les diodes laser semiconductrices à émission de surface et à cavité verticale (VCSEL) qui sont les sources les plus faciles à fabriquer industriellement.
Mais les fibres multimodes ont un inconvénient qui est la dispersion modale : plusieurs modes peuvent se propager simultanément dans la fibre mais la vitesse de propagation de la lumière est différente selon le mode de propagation. Cette différence de vitesse de propagation est très faible mais elle joue un rôle non négligeable dans les fibres longues. Elle se traduit en effet, à une extrémité éloignée de la fibre, par un risque de mélange des informations numériques qui modulent en intensité un faisceau lumineux injecté à l'autre extrémité. Une impulsion lumineuse étroite injectée du côté de la source devient une impulsion étalée du côté du récepteur. Pour une fibre longue, on peut arriver à ce que que le bit d'information propagé par un mode lent arrive à l'extrémité de la fibre en même temps qu'un bit suivant propagé par un mode rapide. Le décodage des informations numériques peut devenir difficile dans le récepteur si les impulsions sont émises à haut débit et/ou si la fibre est longue. Il en résulte une bande passante limitée par la dispersion modale ; cette bande passante modale limite le débit maximum de données possible dans la fibre, en fonction de la longueur de celle-ci.
On a partiellement résolu ce problème par une conception plus sophistiquée des fibres, de sorte qu'il existe des standards de fibres multimodes (OM1 , OM2, OM3, OM4) qui ont progressivement amélioré l'équilibrage des différentes vitesses de propagation en optimisant les profils d'indice du cœur de la fibre (profils à échelons d'indice, ou à gradient d'indice, ou profils plus complexes). A titre d'ordre de grandeur, le débit d'une fibre OM3 de 300 mètres de long est de l'ordre de 10 Gbits/seconde, mais se réduit à 1 Gbit/seconde pour une fibre de 600 mètres et à 100 Mbits/seconde pour une fibre de 2 000 mètres, ce qui devient rédhibitoire pour des centres de données géographiquement étendus et devant pourtant communiquer des informations à haut débit.
On souhaite améliorer ces débits dans des réseaux de communication déjà déployés, par exemple des réseaux d'entreprise ou des centres de données, ou dans de nouveaux réseaux. La solution consistant à changer les fibres pour les remplacer par des fibres multimodes de standard plus élevé, ou même par des fibres monomodes, est une solution coûteuse à la fois en matériel (les fibres de standards plus élevés sont plus coûteuses) et en temps d'installation pour des réseaux déjà existants.
Une solution déjà proposée pour essayer de résoudre ce problème consiste à installer des filtres de modes pour éliminer les modes qui se propagent soit le plus vite soit le plus lentement, pour ne garder que des modes qui ont des vitesses dans une gamme limitée. L'inconvénient principal est le coût de ces filtres mais surtout la perte d'énergie qui en résulte puisque les modes éliminés sont par définition des modes qui transportaient une partie de l'énergie du rayonnement. Cette perte d'énergie qui s'ajoute aux pertes naturelles dans les fibres longues rend la détection d'informations plus difficile dans le récepteur à l'extrémité de la fibre.
D'autres solutions ont pu être proposées, utilisant des traitements électroniques améliorés pour la démodulation des informations transmises, et utilisant en particulier des filtres adaptatifs. Ont été proposées également des solutions utilisant plusieurs fibres successives de propriétés différentes ou plusieurs fibres parallèles de propriétés différentes, ou même plusieurs cœurs de fibres de propriétés différentes dans une même fibre.
On pourra se reporter à l'état de la technique constitué par le document US3,832,030 (D1) (dépôt du 23 mai 1973, publié le 27 août 1974). Ce document concerne un dispositif égaliseur de délai de transmission pour des fibres multimodes. Le dispositif égaliseur décrit comprend deux lentilles optiques insérées entre une fibre optique amont (fibre d'entrée) et une fibre optique aval (fibre de sortie). Dans un mode de réalisation, le dispositif comporte un prisme optique placé entre les deux lentilles.
Cependant, le principe de fonctionnement de ce dispositif repose sur une opération consistant en une transformation géométrique opérée sur les rayons lumineux, partant du principe que les modes rapides sont ceux associés aux rayons lumineux ayant un angle faible en sortie de la fibre amont par rapport à l'axe commun des deux fibres et que les modes lents ont un angle grand par rapport à l'axe commun des deux fibres.
Ainsi, pour réaliser une égalisation des durées de transmission, le dispositif opère en pratique une inversion d'angle sur les rayons lumineux de sortie de la fibre amont de sorte que les modes lents arrivent sur la fibre aval avec un angle faible et que les modes rapides arrivent avec un angle grand, les trajets ayant été compensés. Ce dispositif n'est pas satisfaisant car il ne traite pas la forme de l'onde lumineuse, ils n'effectuent pas une transformation modale mais une transformation géométrique basée sur une approximation que la lumière se présente sous forme d'un rayon lumineux. Du fait de cette approximation, le dispositif ne peut qu'entraîner des pertes d'information, perte liée au fait que la globalité de l'onde lumineuse n'est pas prise en compte, la lumière étant considérée sous forme de rayons lumineux.
On pourra également se reporter au document US 3 759 590 (D3) (dépôt du 1 1 septembre 1972, publication du 18 septembre 1973) qui décrit un dispositif d'inversion des rayons lumineux pour minimiser la dispersion modale dans les fibres optiques a propagation multimode. Le dispositif décrit comporte un réseau de trois lentilles convergentes espacées d'une même distance permettant d'inverser l'ordre des rayons représentant les différents modes. Partant du principe que les modes lents sortent avec un grand angle et que les modes rapides sortent avec un angle faible, l'inversion des angles des rayons lumineux par le dispositif optique décrit, permet d'inverser les chemins de propagations pour les modes lents et rapides, les modes lents empruntant le chemin plus court des modes rapides et inversement.
Ce dispositif repose sur le même principe que le dispositif décrit dans le document US3,832,030 (D1), et présente donc les même inconvénients.
L'invention propose une solution différente pour augmenter le débit permis par une installation de communication à fibre optique multimode qui tient compte de la globalité de l'onde lumineuse c'est-à-dire de la forme de l'onde lumineuse.
L'invention repose sur l'utilisation d'un composant optique effectuant une succession de réflexions et des passages du faisceau lumineux sur des surfaces déformées, ces passages étant suivis par des propagations du faisceau en espace libre (non guidé). La déformation des surfaces induit un déphasage local au sein de la section transversale du faisceau. Ainsi, un faisceau lumineux qui se propage au sein du composant subit une succession de déphasages locaux séparés par des propagations. Le faisceau lumineux subit ainsi une transformation complexe au cours de sa propagation dans le composant. Il est possible de configurer les déformations des surfaces afin de convertir un faisceau lumineux d'entrée, qui a un profil d'amplitude et de phase spécifique, en un faisceau de sortie dont le profil d'amplitude et de phase est différent. Plus encore, il est possible de trouver une configuration de surfaces déformées telles qu'une famille de faisceaux d'entrée, qui ont tous des profils d'amplitude et de phase spécifiques, soit envoyée par le composant sur une famille de faisceaux de sortie dont le profil d'amplitude et de phase est donné, sous réserve que la transformation demandée soit unitaire, c'est-à-dire qu'elle conserve l'énergie du faisceau. Les surfaces déformées sont réalisées dans une structure de déphasage optique qui comporte des ensembles de très petites zones élémentaires déphasantes agissant chacune sur la portion de faisceau qu'elle reçoit ; cette structure de déphasage optique est traversée par le faisceau lumineux lors de chaque trajet de réflexion entre deux miroirs, et elle peut d'ailleurs être constituée par l'un des miroirs, ou même les deux ; au cours des différents trajets le faisceau rencontre différents ensembles de zones élémentaires déphasantes et chaque ensemble respectif est configuré avec un motif de déphasages qui induit une transformation intermédiaire respective du profil spatial du faisceau. La succession des transformations intermédiaires (par exemple une dizaine de transformations successives ou même moins) établit une transformation globale du profil spatial du faisceau.
La démonstration mathématique et physique de l'existence d'une telle configuration de déformation pour toute transformation unitaire a été exposée dans l'article de Jean-François Morizur et autres, "Programmable unitary spatial mode manipulation" dans le Journal of Optical Society of America Vol 27, N ° 1 1 , Novembre 2010. La faisabilië d'un tel composant a été démontrée, ainsi que son caractère universel, à savoir la faculté de réaliser n'importe quelle transformation unitaire de profil spatial d'un faisceau lumineux cohérent.
Un tel composant a, par exemple, été proposé dans la technique antérieure pour multiplexer plusieurs faisceaux d'entrée. En effet, il est possible de considérer une famille de faisceaux d'entrée, de formes identiques mais séparés spatialement, et de se donner pour objectif de sortie une famille de faisceaux superposés dont les profils d'amplitude et de phase sont dits orthogonaux (de telle sorte que l'énergie reste conservée). L'article de Guillaume Labroille et autres, "Efficient and mode-selective spatial mode multiplexer based on multi-plane light conversion", dans Optics Express 30 juin 2014 vol 22 N ° 13 p 15599 explique la constituton de ce composant. Ce composant utilise deux miroirs et une structure de déphasage optique qui est traversée plusieurs fois, en différents endroits, par le faisceau lumineux au cours de ses trajets multiples entre les deux miroirs.
Selon l'invention, on ne cherche pas à réaliser une fonction de multiplexage ou démultiplexage pour recevoir plusieurs faisceaux ou pour produire plusieurs faisceaux mais on conserve une seule entrée optique pour un seul faisceau d'entrée multimode et une seule sortie pour un seul faisceau de sortie multimode. On fait subir au faisceau dans le composant optique une transformation globale par laquelle au moins un premier et un deuxième modes ou groupe de modes présents dans la lumière incidente, sont convertis de telle sorte que le premier mode ou groupe de modes soit converti en deuxième mode ou groupe de modes, et réciproquement, et les modes ainsi convertis sont regroupés en sortie du composant. Le premier mode ou groupe de modes est à vitesse de propagation plus lente que le deuxième mode ou groupe de modes. Le composant optique est inséré dans le trajet de la fibre optique à une position telle que le retard de propagation entre les deux modes entre la source et le composant optique soit sensiblement égal au retard de propagation entre les deux modes entre le composant optique et le récepteur. Si la même fibre est utilisée d'une part entre la source et le composant optique, d'autre part entre le composant optique et le récepteur, on prévoit de placer le composant sensiblement au milieu de la longueur de la fibre.
Ainsi, le retard moyen subi par les modes les plus lents dans la partie de fibre en amont du composant sera converti ensuite en une avance correspondante dans la partie de fibre située en aval puisque ce qui était le mode ou groupe de modes le plus lent est devenu le mode ou groupe de modes le plus rapide. Ou bien, dit d'une autre manière, l'avance prise par le groupe de modes le plus rapide dans la partie de fibre située en amont est reperdue dans la partie de fibre située en aval puisque ce groupe de modes est devenu le plus lent. C'est pourquoi on revendique ici un nouveau dispositif de transmission d'informations par fibre optique multimode destiné à être interposé entre une source d'un rayonnement lumineux modulé numériquement par les informations et un récepteur permettant de démoduler ces informations, pour compenser la dispersion modale, le dispositif comportant une fibre optique multimode amont, une fibre optique multimode aval, et un composant optique de modification de profil spatial de faisceau lumineux placé entre la fibre amont et la fibre aval, ce composant comportant :
- une entrée de réception d'un faisceau lumineux multimode, reliée à la fibre amont, - une sortie de faisceau reliée à la fibre aval,
- au moins deux miroirs permettant une multiple réflexion du faisceau entre les deux miroirs,
- et une structure de déphasage optique, qui peut être l'un des miroirs et qui comporte plusieurs ensembles de multiples zones élémentaires déphasantes, les motifs de déphasages individuels introduits par les zones élémentaires déphasantes dans chaque ensemble engendrant une transformation intermédiaire du profil spatial du faisceau suite au passage du faisceau dans cet ensemble, et les transformations intermédiaires engendrées par plusieurs ensembles se combinant, au cours des passages du faisceau sur la structure de déphasage lors de multiples réflexions entre les miroirs, pour former une transformation globale, dispositif caractérisé en ce que la transformation globale comporte :
- une transformation d'un premier mode ou groupe de modes de propagation présent dans le faisceau lumineux apporté par la fibre amont vers un deuxième mode ou groupe de modes de propagation, pour appliquer ce dernier sur la sortie de faisceau et sur la fibre aval,
- et réciproquement une transformation du deuxième mode ou groupe de modes présent dans le faisceau lumineux apporté par la fibre amont vers le premier mode ou groupe de modes, pour appliquer ce dernier sur la sortie de faisceau et sur la fibre aval.
La structure de déphasage optique peut être transmissive ou réflexive. Si elle est transmissive, elle est constituée d'une plaque transparente dont l'épaisseur est modulée zone élémentaire par zone élémentaire en fonction du déphasage à réaliser ponctuellement. Si elle est réflexive, elle est constituée de préférence par un miroir globalement plan mais à surface texturée pour établir les déphasages ponctuels désirés. Ce miroir "globalement plan" constitue alors la structure de déphasage du dispositif.
Si la structure est réflexive, ce qui est préférable, elle peut être constituée par l'un des deux miroirs. En pratique, l'un des miroirs peut être un miroir plan ou sphérique et l'autre est un miroir texturé. Les deux miroirs pourraient être des miroirs plans à surface texturée. La structure de déphasage optique est normalement une structure figée (déphasages précalculés pour toutes les zones élémentaires de tous les ensembles de zones) et cette structure est alors réalisée par lithographie sur une lame transparente ou sur une plaque revêtue ensuite d'une couche réfléchissante telle qu'une couche d'or. La structure de déphasage pourrait cependant aussi être, dans certains cas particuliers, une structure commandée électriquement, par exemple une structure de micro-miroirs actionnés piézo-électriquement ou un réseau matriciel de cristaux liquides. En résumé, l'invention permet d'augmenter la limite de débit d'une fibre optique multimode dans une installation existante, ou une installation à créer. Pour des installations existantes, elle est compatible avec l'architecture existante puisqu'il suffit d'insérer à mi-parcours d'une fibre existante le composant optique de modification de profil spatial. Cette solution permet aussi de continuer à utiliser des fibres multimodes même dans des centres de données géographiquement étendus (plus d'un kilomètre). Elle permet de réduire les contraintes de conception des fibres optiques multimodes en évitant d'avoir comme contrainte principale la dispersion modale ; par exemple on peut optimiser d'autres propriétés de la fibre telles que les pertes en présence de courbures ou la dispersion chromatique, le composant optique étant là pour compenser la dispersion modale.
La solution selon l'invention est fortement intégrée (un seul boîtier de compensation) et est donc avantageuse de ce point de vue par rapport à des solutions qui nécessiteraient plusieurs composants et notamment des solutions qui nécessiteraient de rajouter des fibres optiques de compensation. Enfin, elle n'introduit pas de pertes significatives (par rapport à des solutions qui utiliseraient des filtres d'élimination de modes trop lents ou trop rapides).
Outre un dispositif de transmission par fibre optique, l'invention revendique également un procédé de transmission d'informations par fibre optique multimode entre une source et un récepteur, caractérisé en ce qu'on insère, entre une fibre optique multimode amont et une fibre optique multimode aval, un composant optique de modification de profil spatial de faisceau lumineux placé entre la fibre amont et la fibre aval, ce composant étant constitué comme indiqué précédemment (deux miroirs et une structure de déphasage optique, une entrée reliée à la fibre amont et une sortie reliée à la fibre aval) et étant tel que la structure de déphasage transforme les modes ou groupes de modes de propagation les plus lents présents dans la fibre amont en modes ou groupes de modes les plus rapides et réciproquement avant de les réinjecter dans la fibre aval, réalisant ainsi dans la fibre aval une compensation des avances et retards de propagation subis dans la fibre amont.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 représente des profils spatiaux classiques de modes de propagation individuels dans une fibre optique multimode ;
- la figure 2 représente schématiquement la constitution d'un exemple de composant optique de modification de profil spatial de faisceau lumineux ;
- la figure 3 représente un détail de miroir globalement plan, structuré à l'échelle de la longueur d'onde pour modifier un profil spatial de faisceau incident ;
- la figure 4 représente l'ensemble du dispositif de communication par fibre multimode ;
- la figure 5 représente une variante de réalisation.
Le composant optique de modification de profil spatial qu'on va utiliser s'inspire de composants utilisés dans l'art antérieur pour effectuer des modifications de profil spatial d'un faisceau lumineux cohérent.
Pour rappel : le profil spatial d'un faisceau lumineux est un profil de distribution du champ électrique dans une section de faisceau tranversale à l'axe de propagation. C'est un profil d'amplitudes complexes d'un champ électrique qui peut être représenté en tous points de la section par une intensité et une phase. Par exemple, le profil d'intensité serait une gaussienne dans le cas d'un faisceau transmis par une fibre monomode excitée selon le mode fondamental. Le profil est évidemment plus complexe dans le cas d'un faisceau multimode et il peut se décomposer en profils spécifiques correspondant à chaque mode.
Les modes de propagation dans une fibre multimode sont couramment répertoriés dans la littérature et souvent désignés par des lettres et des chiffres qui indiquent la nature du mode et son ordre selon deux dimensions. Typiquement le mode du premier ordre ou mode fondamental est couramment désigné par l'appellation LP01 ; les modes supérieurs sont les modes LP1 1 a, LP1 1 b, LP21 a, LP1 1 b, LP02, LP03, LP31 a, LP31 b„ etc. Tout faisceau se propageant dans une fibre multimode peut se décomposer surla base des modes LP. La littérature technique donne abondamment les formes de ces profils spatiaux pour les modes les plus courants. Ces formes typiques sont illustrées sur la figure 1 pour les premiers modes LP01 , LP1 1 a, LP1 1 b, LP02, LP21 a, LP21 b. Des ordres supérieurs, LP31 , LP41 , etc., peuvent bien sûr aussi être présents.
Le mode qui se propage le plus rapidement est le mode fondamental LP01 . Les autres modes se propagent plus lentement, d'abord le mode LP1 1 , puis les modes LP02 et LP21 , et ensuite les autres modes. On peut par exemple choisir de diviser ces modes en un premier groupe comprenant seulement le mode LP01 et un deuxième groupe comprenant les modes LP1 1 , LP02 et LP21 . Ou bien on peut diviser les deux modes en un premier groupe comprenant le mode LP01 et le mode LP1 1 et un deuxième groupe comprenant les modes LP02 et LP21 . Une division des modes de la fibre en plus de deux groupes est possible.
Dans l'article précité de JF Morizur et autres, on montre qu'il est possible de transformer les profils spatiaux d'une famille de faisceaux lumineux en n'importe quelle autre famille de profils spatiaux, sous réserve que la transformation ainsi définie conserve l'énergie, par une succession de transformations intermédiaires en espace libre (non guidé) utilisant chacune une matrice d'éléments déphaseurs agissant sur la section du faisceau lumineux qui illumine cette matrice. Dans cet article, les éléments déphaseurs sont programmables et constitués par des miroirs déformables actionnables électriquement mais le principe serait le même avec une plaque de miroirs non programmable structurée avec une configuration figée pour une transformation prédéfinie ; il serait le même aussi avec une plaque transparente programmable (cristaux liquides) ou non programmable, structurée pour introduire une matrice de déphasage sur le trajet du faisceau lumineux. On montre également dans cet article comment n'importe quelle transformation unitaire (qui conserve l'énergie) de profil spatial de faisceau peut être obtenue de manière exacte en utilisant un nombre fini de transformations intermédiaires obtenues par une alternance de structures déphasantes et de transformations de Fourier optiques. Si on s'impose une limite (par exemple une dizaine) au nombre de transformations intermédiaires, la transformation globale obtenue sera plus approximative. Les structures déphasantes modifient point par point les phases dans la section du faisceau lumineux. Les transformées de Fourier optique peuvent être des lentilles ou des miroirs sphériques mais en pratique une simple propagation du faisceau sur quelques centimètres en espace libre entre deux structures déphasantes peut remplacer les transformées de Fourier optiques dans l'alternance.
L'article précédent donne une recette de conception de systèmes optiques à base d'une succession de structures déphasantes et de propagation libre entre ces structures pour effectuer n'importe quelle transformation unitaire de profil spatial d'un faisceau lumineux cohérent. Une autre recette de conception des différents ensembles de structures déphasantes permettant de faire une transformation désirée a été décrite dans la publication de brevet WO 2012/085046, soit pour corriger un faisceau qui a subi une transformation de profil soit pour appliquer volontairement à un faisceau une transformation de profil souhaitée. Cette conception des différentes structures déphasantes, plus rapide, plus effficace mais moins générale que celle de l'article précédent se fait en pratique par simulation dans un ordinateur capable de modéliser le comportement des profils de faisceau dans une succession de différents éléments optiques et notamment des structures déphasantes et des espaces de propagation libre. L'ordinateur simule le passage, dans cette succession d'éléments optiques, d'un faisceau lumineux ayant un profil d'entrée et il calcule le faisceau de sortie qui en résulte. Il fait ensuite interférer ce faisceau de sortie avec un faisceau ayant un profil spatial désiré sur le plan correspondant à une structure déphasante. Le résultat des interférences sur le plan correspondant à chaque structure déphasante est observé et la configuration de la structure est modifiée dans un sens tendant à maximiser les interférences. Cette opération est reconduite sur les structures déphasantes successives et on recommence par itérations successives sur toutes les structures jusqu'à obtenir un faisceau de sortie de profil très proche du faisceau désiré. La configuration finale des structures déphasantes obtenue après ces itérations sert alors à constituer le dispositif
de modification de profil spatial qui transforme le premier profil en un second profil désiré, quel qu'il soit.
Des transformations consistant en un multiplexage de plusieurs modes de propagation, c'est-à-dire une transformation de profil spatial de plusieurs modes simples en un mode complexe combinant les profils spatiaux des modes simples, ont été proposées dans l'article précité de G. Labroille. Le composant qui fait cette transformation permet également de faire la transformation inverse (démultiplexage). Plutôt que d'utiliser une succession de structures déphasantes séparées par des espaces libres de propagation, il utilise une multiple réflexion du faisceau entre deux miroirs et un passage du faisceau à chaque fois à travers la même structure déphasante mais dans des portions différentes de celle-ci, chaque portion représentant l'équivalent d'une structure déphasante particulière.
Le composant optique qu'on utilise dans la présente invention est un composant de transformation de profil spatial réalisé selon les principes qu'on vient de décrire. Il exécute une transformation des profils spatiaux correspondant à plusieurs modes ou groupes de modes de propagation, chaque profil étant transformé en autre profil. Les profils qui résultent de ces transformations sont superposés à la sortie du composant. Les transformations se font progressivement au cours de plusieurs passages (par exemple une dizaine de passages) du faisceau dans une structure de déphasage optique comportant une matrice de zones déphasantes. Ce passage multiple est obtenu par deux miroirs entre lesquels le faisceau passe en subissant de multiples réflexions, le faisceau passant à chaque fois dans la structure de déphasage optique à différents endroits de celle-ci. Cette structure de déphasage peut être constitué par l'un des miroirs.
Le composant optique va être inséré entre une fibre multimode amont qui engendre des retards de propagation différents entre différents modes du faisceau et une fibre multimode aval qui va elle-même engendrer des retards différenciés. Le composant va transformer les groupes de modes de propagation lents en groupes de modes de propagation rapides et appliquer les modes transformés sur la fibre aval.
Pour expliquer l'invention, on peut donner un exemple simplifié d'une manière de réaliser l'invention dans le cas où le faisceau d'entrée ne comporte que deux modes LP01 (rapide) et LP1 1 a (lent). Un tel faisceau donné à titre d'exemple peut avoir été obtenu par filtrage préalable éliminant tous les autres modes. On cherche donc la succession de déformations de phase qui permettront de transformer simultanément dans le composant optique le profil de la lumière entrant sur le mode LP01 vers le mode LP1 1 a et le profil de la lumière entrant sur le mode LP1 1 a vers le mode LP01 . Pour trouver la succession de déformations pertinente, il est possible d'utiliser la méthode itérative décrite ci-dessus ou la méthode décrite dans l'article précité de JF Morizur. Le mode LP01 porteur d'informations qui étaient légèrement en avance du fait de la propagation dans la fibre amont est devenu un mode LP1 1 a porteur de cette information en avance et réciproquement le mode LP1 1 a porteur d'informations légèrement retardées est devenu un mode LP01 plus rapide mais porteur d'une information retardée. Dans la propagation dans la fibre aval, le mode LP1 1 a perdra l'avance qu'il avait pris dans la fibre amont et le mode LP01 rattrapera le retard qu'il avait pris.
Si les fibres sont identiques, il faut de préférence leur donner des longueurs identiques. Si elles ne sont pas identiques, c'est-à-dire si elles ne donnent pas les mêmes différences de retard de propagation, il faut calculer la position optimale du composant pour le placer à l'endroit où les différences de retard dus à la fibre amont sont égaux aux différences de retard dûs à la fibre aval. On peut d'ailleurs aussi rajouter à l'une des fibres une fibre supplémentaire de compensation ayant une dispersion modale plus importante que celle des fibres amont ou aval et tenir compte du retard qu'elle introduit pour calculer l'endroit où il faut placer le composant dans le cas où on ne peut pas donner aux fibres amont et aval des longueurs identiques ; c'est le cas par exemple si on doit insérer le composant dans une installation existante avec des contraintes sur l'emplacement du composant à insérer. L'explication donnée à propos de deux modes seulement LP01 et LP1 1 est une explication simplifiée mais qui rend bien compte de ce qui se passe. Cette explication est transposable à tous les modes, qu'ils soient séparés ou regroupés en groupes de modes (deux ou plus) en prenant soin bien sûr de grouper les modes en fonction de leurs vitesses de propagation, lesquels sont connus pour une fibre donnée. Les vitesses de propagation considérées sont alors des moyennes de vitesses des modes d'un groupe.
La méthode de conception des déformations de phase décrite ci- dessus et dans le brevet WO 2012/085046 permet de trouver une succession de déformations de phase pertinente qui réalise l'opération d'inversion des modes désirée. Il peut être avantageux d'appliquer cette méthode avec un nombre de déformations de phase relativement restreint. En effet, même si cette restriction de nombre donne lieu à une inversion imparfaite des modes de propagation, elle permet de diminuer les pertes optiques. Chaque incidence du faisceau lumineux sur la structure de déphasage optique engendre en effet une perte d'énergie du faisceau. Le nombre de passages du faisceau sur la structure peut être choisi en maximisant la qualité du signal reçu. Même avec un nombre de passages limité, par exemple une dizaine ou même moins, on obtient le résultat souhaité qui est une réduction significative de la dispersion modale.
Sur la figure 2, le composant optique 10 utilisé dans l'invention comporte une entrée 12 à laquelle peut être connectée une fibre optique amont multimode MMF1 qui apporte un faisceau F modulé en amplitude par une information numérique. Ce faisceau passe éventuellement par des éléments optiques tels que des lentilles 14, des miroirs réfléchissants 16, des miroirs semi-transparents 18, et arrive sur le couple de miroirs assurant les réflexions multiples.
Dans cet exemple, un premier miroir 20 de ce couple est un miroir sphérique et un deuxième miroir 22 est un miroir globalement plan mais qui est composé, à l'échelle de la longueur d'onde du rayonnement, d'une surface présentant un relief dont les creux et les bosses définissent par leur hauteurs et profondeurs les déphasages relatifs à appliquer aux parties de faisceau qui frappent ces creux et ces bosses. Ces hauteurs et profondeurs par rapport à un plan moyen, sont de l'ordre de la longueur d'onde du faisceau lumineux, allant d'une fraction de longueur d'onde à quelques longueurs d'onde. Ttypiquement la longueur d'onde est de 1550 nanomètres.
Le miroir 22 joue ici comme on l'a dit non seulement le rôle de miroir pour assurer des trajets multiples du faisceau mais aussi le rôle de structure de déphasage optique du faisceau.
Le faisceau recombiné sortant de l'ensemble de miroirs et ayant subi un premier traitement de modification de son profil spatial (séparation de groupes de modes et nombre de réflexions différentes) puis une recombinaison des différentes parties de faisceau qui ont subi ces modifications est redirigé, par exemple par le miroir semi-transparent 18 et une optique à lentille 24, vers une sortie 26 du composant 10, sortie à laquelle est connectée une fibre aval multimode MMF2. La figure 3 représente un détail à très petite échelle du miroir 22 qui assure la fonction de déphasage et de déflexion des différentes parties de la section du faisceau F. La surface du miroir est structurée et présente un relief de creux et bosses définies par rapport à un plan de référence 30 représentant la surface générale du miroir globalement plan. Les creux et bosses sont des zones déphasantes élémentaires de la structure optique de déphasage que constitue le miroir. Ces zones sont des zones très petites, par exemple de moins d'un micromètre de côté de sorte que le faisceau incident recouvre un de nombreuses zones et chaque portion élémentaire de la section du faisceau subit un déphasage individuel respectif. Les zones sont regroupées en ensembles dont la taille peut être celle de la section du faisceau lumineux ou de l'ordre de cette section, et chaque ensemble établit un motif de déphasages qui induit une transformation intermédiaire désirée pour le profil spatial d'intensités et de phases du faisceau. Lors des réflexions multiples entre les deux miroirs, le faisceau tombe sur différents ensembles configurés pour effectuer chacun une transformation spécifique. La transformation du profil du faisceau pour passer d'un premier profil à un deuxième profil est progressive, par exemple en 7 ou 8 transformations successives. Chaque transformation intermédiaire est obtenue en donnant aux régions déphasantes sur lesquelles doit tomber le faisceau une répartition adéquate de déphasages ponctuels des points de la section du faisceau. La transformation intermédiaire de profil est effective après un trajet du faisceau en espace libre sur quelques centimètres au-delà du passage sur la structure de déphasage. La figure 3 représente deux ensembles EZ1 et EZ2 de zones déphasantes sur lesquelles le faisceau va venir au cours de deux trajets différents entre les miroirs.
Le miroir peut être constitué par une lame structurée par gravure lithographique établissant des creux et bosses de hauteurs ou profondeurs différentes, cette lame étant recouverte d'une fine couche réfléchissante (couche d'or notamment) qui épouse le relief de la structure gravée. Une structure transparente globalement plane, transmissive et non réflexive, également structurée pour établir les déphasages désirés, pourrait également être utilisée entre deux miroirs simples, avec l'inconvénient possible d'une augmentation des pertes d'énergie du faisceau.
Il est à noter que cette structure est figée et doit comporter des profondeurs de gravure calculées pour obtenir l'effet de déphasage et déflexion désirés pour chaque ensemble de zones déphasantes. Une structure commandée (miroirs à commande piézoélectrique ou dispositif à cristaux liquides) pourrait aussi être utilisée dans des cas particuliers. La figure 4 représente l'ensemble du dispositif de communication destiné à transmettre des informations numériques entre une source optique S modulée numériquement par ces informations et un récepteur permettant de décoder l'information numérique transmise. La source S est connectée par une première fibre optique amont multimode MMF1 à l'entrée du composant optique 10 décrit précédemment. La sortie du composant est connectée à une fibre aval multimode MMF2 et celle-ci est reliée au récepteur R. Si les fibres optiques sont de nature identique (en ce sens qu'elles induisent des différences de vitesses de propagation identiques), on place le composant 10 au milieu de la distance entre source et récepteur, c'est-à-dire que les fibres MMF1 et MMF2 ont la même longueur. Un bit d'information présent dans un groupe de modes prend de l'avance dans la première fibre par rapport au même bit d'information présent dans un autre groupe de modes. Cette avance est ensuite exactement compensée dans la deuxième fibre car le bit d'information qui était présent dans le premier groupe de modes est maintenant propagé dans le deuxième groupe de modes et il est donc propagé plus lentement.
Si les fibres MMF1 et MMF2 ont des dispersions modales différentes, on en tiendra compte en plaçant le composant optique 10 à l'endroit optimal, c'est-à-dire tel que les retards ou avances induits dans les fibres amont et aval soient identiques.
Si on ne peut pas placer le composant 10 à l'endroit optimal où les fibres MMF1 et MMF2 (supposées de dispersion modale identique) ont des longueurs identiques, ou à l'endroit où elles induisent des retards identiques, on peut envisager de compenser la fibre la plus courte, par exemple MMF1 , en lui rajoutant une fibre multimode MMF3 fortement dispersive qui induit un retard différentiel plus grand que le retard qui serait introduit par la même longueur de fibre MMF2. La figure 5 représente cette dernière possibilité. L'ensemble des fibres MMF1 et MMF3 représente alors la fibre amont. Une compensation serait bien sûr possible aussi du côté aval plutôt que du coté amont.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif de transmission d'informations par fibre optique multimode destiné à être interposé entre une source (S) d'un rayonnement lumineux modulé numériquement par les informations et un récepteur (R) permettant de démoduler ces informations, pour compenser la dispersion 5 modale, le dispositif comportant une fibre optique multimode amont (MMF1 ), une fibre optique multimode aval (MFF2), et un composant optique (10) de modification de profil spatial de faisceau lumineux placé entre la fibre amont et la fibre aval, ce composant comportant :
- une entrée (12) de réception d'un faisceau lumineux multimode, o reliée à la fibre amont,
- une sortie de faisceau (26), reliée à la fibre aval,
- au moins deux miroirs (20, 22) permettant une multiple réflexion du faisceau entre les deux miroirs,
- et une structure de déphasage optique, qui peut être l'un des5 miroirs (22) et qui comporte plusieurs ensembles de multiples zones élémentaires déphasantes, les motifs de déphasages individuels introduits par les zones élémentaires déphasantes dans chaque ensemble engendrant une transformation intermédiaire du profil spatial du faisceau suite au passage du faisceau dans cet ensemble, et les transformations0 intermédiaires engendrées par plusieurs ensembles se combinant, au cours des passages du faisceau sur la structure de déphasage lors de multiples réflexions entre les miroirs, pour former une transformation globale,, dispositif caractérisé en ce que la transformation globale comporte :
- une transformation d'un premier mode ou groupe de modes de5 propagation présent dans le faisceau lumineux apporté par la fibre amont en un deuxième mode ou groupe de modes de propagation, pour appliquer ce dernier sur la sortie de faisceau et sur la fibre aval,
- et réciproquement une transformation du deuxième mode ou groupe de modes présent dans le faisceau lumineux apporté par la fibre0 amont vers le premier mode ou groupe de modes, pour appliquer ce dernier sur la sortie de faisceau et sur la fibre aval.
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les deux fibres multimodes ont des caractéristiques de dispersion identiques et des longueurs identiques.
3. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les deux fibres multimodes ont des caractéristiques de dispersion différentes et des longueurs différentes telles que les retards relatifs des deux groupes de modes dans les deux fibres soient identiques.
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la structure de déphasage optique est un miroir globalement plan à surface structurée présentant de multiples zones réfléchissantes dont les positions par rapport à un plan moyen du miroir sont écartées de différentes valeurs qui définissent des déphasages élémentaires appliqués aux rayons qui les frappent.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la structure de déphasage optique est l'un des deux miroirs établissant les réflexions multiples.
6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la structure de déphasage optique est une plaque transparente structurée dont l'épaisseur est modulée zone élémentaire par zone élémentaire en fonction du déphasage à réaliser ponctuellement.
7. Dispositif la revendication 6, caractérisé en ce que l'un des miroirs (20) est plan ou sphérique et l'autre (22) est globalement plan, la surface de ce dernier étant éventuellement structurée zone élémentaire par zone élémentaire pour constituer la structure de déphasage optique.
8. Procédé de transmission d'informations par fibre optique multimode entre une source (S) d'un rayonnement lumineux modulé numériquement par les informations et un récepteur (R) permettant de démoduler ces informations, pour compenser la dispersion modale, caractérisé en ce qu'on insère, entre une fibre optique multimode amont (MMF1 ) et une fibre optique multimode aval (MMF2), un composant optique(10) de modification de profil spatial de faisceau lumineux qui comporte
- une entrée (12) de réception d'un faisceau lumineux multimode, - une sortie de faisceau multimode (26),
- au moins deux miroirs (20, 22) permettant une multiple réflexion du faisceau entre les deux miroirs,
- et une structure de déphasage optique du faisceau, cette structure comportant plusieurs ensembles de multiples zones élémentaires déphasantes, cette structure pouvant être l'un des miroirs,
le procédé incluant une succession de transformations intermédiaires de profil spatial au cours des passages successifs du faisceau dans la structure de déphasage optique, induisant globalement une transformation des modes ou groupes de modes de propagation les plus lents présents dans la fibre amont en modes ou groupes de modes les plus rapides et réciproquement avant de les réinjecter dans la fibre aval, réalisant ainsi dans la fibre aval une compensation des avances et retards de propagation subis dans la fibre amont.
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